类比发现物质波

法国伟大的物理学家德布罗意应用类比方法发现了物质波以后，这场在科学界持续了200多年的对光的本质的争论才告结束。一些科学家坚持牛顿的微粒说，认为光是由无数微粒构成的粒子流；另有些科学家坚持虎克的波动说，认为光是一种波。两种学说各不相让，交替兴衰，泾渭分明。在18世纪，微粒说占统治地位，19世纪，波动说占上风。这种看法到20世纪被打破了。1905年，爱因斯坦提出了光量子理论，认为光既是波，又是微粒。长期水火不容的微粒说和波动说不分胜负，原来光是一种“两栖动物”。光量子理论影响深远，德布罗意在爱因斯坦的启发下提出了一个更为大胆新颖的假说，他认为光不仅具有波粒二象性，就是历来人们认为是物质粒子的电子，也应该同时具有波动性。为了和人们熟知的电磁波、机械波相区别，德布罗意就把这种波称为物质波。物质波理论一经提出，就受到爱因斯坦的高度重视，他指出德布罗意已经揭开了面纱的一角，这个理论提出了量子力学的基本概念，随着量子力学的形成，人们逐渐揭开了微观世界的面纱。

德布罗意（L. V. P. de Broglie，1892—1992年），原来是学历史的，大学毕业后受其兄长的影响，对物理学产生了浓厚的兴趣，在其兄指导下仅用两年时间就学完了自然科学的基本课程。对旧量子论的困难，他经历了长期的孤寂的思索和遐想。德布罗意在研究电子运动规律时，注意到了相对论与量子论的结合，但却出现了理论上的矛盾。为了解决这个矛盾，他把电子运动和人们熟悉的光现象进行了比较。他发现在光学现象和力学现象之间可以进行某些类比。在集合光学中，法国科学家费尔玛17世纪时就总结出了光线走最短路程的原理；在经典力学中，另一位法国科学家莫泊图则在18世纪提出了力学的最小作用原理。两个原理分别描绘光的运动和质点运动的规律，而它们的数学形式却非常相似，这表明光的运动和质点运动有共同之处。既然已经知道光具有波粒二象性，那么为什么物质粒子不可能有波粒二象性呢？德布罗意写道：“如果光的性质是这样的，那么我们是否可以假定，这种情况也适用于物质？我们是否应该得出这样的结论：正如光子不能同自己的波离开一样，物质微粒也永远同波不可分。”德布罗意继续用类比方法发展他的假说：既然实物粒子和光都具有波粒二象性，那么计算光波波长的公式也应适用于计算实物粒子的波长。他认为：每个能在空间自由运动的粒子都具有一个物质波，其波长、频率、能量和动量的关系都同光子相同。如能量为：

hγ＝mc2，波长则为

λ＝h/p＝h/mγ ＝（h/moλ）[1－（γ/c）2]½

这就是德布罗意公式，具有这种频率的波称为德布罗意波。后来玻恩（Born M，1882—1970）建议给它取个更恰当的名字：几率波。

德布罗意于1924年把自己的研究成果写成博士论文——《关于量子理论的研究》，提交给巴黎大学理学院的教授会评审。从理论上讲，论文的内容是深刻和严密的，但是谁也没见过物质波。也有许多物理学家表示怀疑，有人甚至断言德布罗意误入歧途。在论文答辩会上，主考教授问他：“怎样才能在实验中观察到你所推想的电子波呢？”德布罗意回答说：“我认为可以让一束电子通过晶体来观察它的衍射现象。”3年以后，他的设想果然得到证实。1927年，美国贝尔电话实验室的物理学家戴维森和他的助手戈莫发现，当电子束通过镍晶表面时发生了衍射现象，而衍射现象正是波动性的特殊标志。同时，从衍射环的直径估计波长也和德布罗意计算的波长完全相符。爱因斯坦看到德布罗意的论文，立即看到了它的重要性。他称赞德布罗意“做了一项非常有趣的尝试”，他试图解释玻尔-索莫菲量子规则，“我相信这是投射到我们这个糟糕的物理之谜的第一道微弱的光线”。爱因斯坦马上把德布罗意的新概念运用到他对气体理论的研究上，与印度物理学家玻色（S. N. Bose，1894—1974年）合作， 于1925年创造了著名的玻色-爱因斯坦统计法。德布罗意的理论引起了物理学界的极大重视。英国物理学家G. P. 汤姆逊（J. J. 汤姆逊之子）通过不同的实验步骤， 也得到了类似的结果。在这以后，一些科学家又分别用分子、原子、质子、中子等进行实验，也都证实了物质波的存在。德布罗意由于这一杰出贡献而获得了1929年度诺贝尔物理学奖，这也是世界上第一次以博士论文而获得的诺贝尔奖。之后，描写微观粒子的新力学——量子力学在此基础上诞生了。

物质波理论的建立，是人类认识物质世界的一个划时代的进展，它提出了微观世界的本质特征，这也是运用类比方法获得成功的典型成就之一。在许多科学领域发展中，应用类比方法获得成功的例子是不胜枚举的。但远远不是所有类比法都能获得正确结论。类比是在两类不同事物之间进行的，有时是在表面上极不相同的两种事物之间寻找共同点。这就是对两类不同事物进行仔细的分析和比较，特别是对已知的相似属性和推测可能相似的属性之间的关系进行全面的观察、分析和比较。过去曾经有人做过这样的类比：地球是一个星球，月球也是一个星球，既然地球上有人类居住，那么月球上也会有人居住。进行这种类比的原因是没有具体分析地球和月球产生、形成和发展演化的自然条件，没有考虑这些条件对人类生存的影响。这说明类比方法也不是孤立的，它要和其他方法结合起来运用。德布罗意之所以成功地发现物质波，是因为不仅正确地运用了类比方法，而且运用了其他科学方法。如果按照以前沿袭下来的微粒说和波动说水火不容的观点，物质波的概念是难以被人接受的。辩证法则认为：绝对分明和固定不变的界限是不存在的，也不存在无条件的普遍有效的“非此即彼”。无论是分子、原子、电子、质子、中子以及其他任何微观粒子，都具有微观的属性，又具有波的属性。这就是德布罗意物质波所指的波粒二象性。物质波理论的建立，证实了恩格斯的论断：“辩证法对今天的自然科学来说是最重要的思维方式，因为只有它才能为自然界中所发生的发展过程，为自然界中的普遍联系，为从一个研究领域到另一个研究领域的过度提供类比，并从而提供说明方法。”